Vincent Martinez, frère cadet de l’acteur Olivier Martinez, fait ses premières armes au cinéma en 1998 dans
L'école De La Chair, soutenu par Isabelle Huppert et Vincent Lindon. Des débuts prometteurs qui permettent à Olivier de se voir offrir des rôles aux côtés des plus grands acteurs français.
En 2000, il rejoint le casting de
La Confusion Des Genres avec Pascal Greggory, acteur confirmé qu’il retrouve l’année suivante dans
Un Ange qui accueille Richard Berry et Elsa Zylberstein.
En 2002, Olivier Martinez campe le rôle d’un duc, une place de choix parmi Carole Bouquet et Jean Rocherfort dans
Blanche de Bernie Bonvoisin. La même année prend pour la première fois la tête d’affiche dans le court-métrage
Novela réalisé par Cedric Anger.
En 2004, il interprète le rôle du « professeur » dans
Le Clan, film subversif de Gaël Morel.
2005 sera l’année la plus fructueuse pour Olivier, il campe le rôle de Louis dans
Cavalcade et celui Roque dans
La Trahison. Il obtient également son premier rôle-titre dans
Ecorchés, un duo passionnel avec l'actrice Mélanie Thierry. Le film sortira en 2007 sur les écrans français.
2007 : habitué aux rôles de caractère, l'acteur se mue en dealer pour
Sans Moi, réalisé par Olivier Panchot.